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KR100752794B1 - 방열판 및 그 제조방법 - Google Patents

방열판 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100752794B1
KR100752794B1 KR1020060126178A KR20060126178A KR100752794B1 KR 100752794 B1 KR100752794 B1 KR 100752794B1 KR 1020060126178 A KR1020060126178 A KR 1020060126178A KR 20060126178 A KR20060126178 A KR 20060126178A KR 100752794 B1 KR100752794 B1 KR 100752794B1
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Abstract

본 발명은 세라믹기판(13) 상면에 세라믹기판(13)보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크를 도포하여 금속잉크층(15)을 형성하는 금속잉크 도포단계(S10)와, 금속잉크층(15)을 500℃에서 1100℃의 온도로 소결하여 금속잉크층(15)에 혼합된 제1금속분말을 세라믹기판(13)에 결합시켜 세라믹기판(13) 상면에 제1금속층(15a)을 형성하는 금속잉크층 소결단계(S20) 및 제1금속층(15a) 상부에 세라믹기판(13)보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제2금속을 결합시켜 제1금속층(15a) 상부에 제2금속층(17)을 형성하는 제2금속층 형성단계(S30)로 구성된다.
본 발명은 세라믹기판에 열전도율이 높은 금속을 함유하는 잉크를 도포, 소결한 후 열전도율이 높은 금속을 도금하여 방열판을 제작함으로써 방열판 제작시 방열판의 불량률을 감소시키고, 장기간 사용하더라도 열에 의해 변형이 발생되지 않으며, 전자부품에서 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열 효과가 우수하다.
방열판, 소결, 구리 도금, 세라믹기판

Description

방열판 및 그 제조방법{heat sink and the method}
도 1은 종래의 방열판을 형성시키기 위한 공정단면도이고,
도 2는 본 발명의 방열판의 제조방법을 도시한 공정순서도이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 방열판의 제조방법을 도시한 공정단면도이고,
도 4는 본 발명의 금속잉크층 소결단계 시 소결시간에 대한 소결온도의 그래프이다.
본 발명은 방열판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 세라믹기판에 열전도율이 높은 금속을 함유하는 잉크를 도포, 소결한 후 열전도율이 높은 금속을 도금하여 방열판을 제작함으로써 방열판 제작시 불량률을 감소시키고, 장기간 사용하더라도 열에 의해 변형이 발생되지 않으며, 방열 효과가 우수한 방열판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자부품들인 파워저항기, 파워 트랜지스터 또는 고집적, 고속, 대용량의 반도체 집적회로는 동작 중 열이 많이 발생되며, 이와 같이 동작시 내부에서 발생된 열은 회로 동작시 성능저하 및 오동작을 발생시킨다.
따라서 동작시 발생된 열을 외부로 방출시키기 위하여 반도체 집적회로 등의 하부에 접착제 또는 초음파 접착제 등을 사용하여 방열판을 접착한다.
도 1은 종래의 방열판을 형성시키기 위한 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 방열판(1)은 세라믹기판(3) 상면에 접착제(5)를 도포한 후 접착제(5)가 도포된 세라믹기판(3)에 열을 가한 후 프레스기를 사용하여 높은 압력으로 세라믹기판(3) 상부에 열전도율이 높은 구리 등과 같은 금속박막(7)을 견고하게 부착하여 제작된다.
종래의 방열판(1)은 접착제(5)가 도포된 세라믹기판(3) 상부에 프레스기를 사용 높은 압력으로 구리재질의 금속박막(7)을 부착하여야 하므로 금속박막(7) 부착시 세라믹기판(3) 또는 금속박막(7)의 손상이 발생될 수 있으며, 방열판(1)의 장기간 사용시 금속박막(7) 상부에 부착된 전자부품(9)에서 발생된 열에 의한 접착제(5)의 변형이 발생되고 이로 인해 접착불량이 발생될 수 있는 문제점을 가지고 있다.
또한, 방열판(1)은 전자부품(9)에서 발생된 열을 금속박막(7)과 세라믹기판(3)을 통해 외부로 용이하게 열을 방출시켜야 하는데 종래의 방열판(1)에 사용되는 접착제(5)는 전자부품(9)에서 발생된 열을 세라믹기판(3)을 통해 외부로 전달하는데 방해요소가 되어 전자부품(9)에서 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 세라믹기판에 열전도율이 높은 금속을 함유하는 잉크를 도 포, 소결한 후 열전도율이 높은 금속을 도금하여 방열판을 제작함으로써 방열판 제작시 방열판의 불량률을 감소시키고, 장기간 사용하더라도 열에 의해 변형이 발생되지 않으며, 전자부품에서 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열 효과가 우수한 방열판 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방열판은 전자부품의 동작시 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열판에 있어서, 세라믹기판 상면에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크가 도포된 금속잉크층; 상기 금속잉크층을 500℃에서 1100℃의 온도로 소결하여 상기 금속잉크층에 혼합된 제1금속분말을 상기 세라믹기판에 결합시켜 형성된 제1금속층; 및 상기 제1금속층 상부에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제2금속이 결합된 제2금속층을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방열판 제조방법은 전자부품의 동작시 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열판 제조방법에 있어서, 세라믹기판 상면에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크를 도포하여 금속잉크층을 형성하는 금속잉크 도포단계; 상기 금속잉크층을 500℃에서 1100℃의 온도로 소결하여 상기 금속잉크층에 혼합된 제1금속분말을 상기 세라믹기판에 결합시켜 상기 세라믹기판 상면에 제1금속층을 형성하는 금속잉크층 소결단계; 및 상기 제1금속층 상부에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제2금속을 결합시켜 상기 제1금속층 상부에 제2금속층을 형 성하는 제2금속층 형성단계를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속잉크층 소결단계는 상기 금속잉크층을 210℃에서 280℃의 온도로 3분 내지 5분 동안 예열시키는 예열단계와, 상기 예열단계 후 10분 내지 18분 동안 분당 30℃에서 45℃의 온도상승률로 온도를 상승시키는 온도상승단계와, 6분 내지 15분 동안 상기 온도상승단계에서 상승된 온도를 유지하는 안정단계 및 상기 안정단계 후 상기 금속잉크층을 실온으로 냉각시키는 냉각단계를 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 방열판 및 그 제조방법을 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 방열판의 제조방법을 도시한 공정순서도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 방열판의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 본 발명의 방열판(10)은 세라믹기판(13) 상면에 세라믹기판(13)보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크가 도포된 금속잉크층(15)과, 금속잉크층(15)을 500℃에서 1100℃의 온도로 소결하여 금속잉크층(15)에 혼합된 제1금속분말을 세라믹기판(13)에 결합시켜 형성된 제1금속층(15a) 및 제1금속층(15a) 상부에 세라믹기판(13)보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제2금속이 결합된 제2금속층(17)으로 구성된다.
상기 세라믹기판(13)은 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 알루미나기판이 고, 제1금속분말은 니켈, 주석, 크롬 또는 은 들 중 하나의 금속으로 형성되며, 제2금속은 구리이고, 제1금속층(15a) 상부에 도금에 의해 제2금속층(17)이 형성된다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 방열판 제조방법은 세라믹기판(13) 상면에 세라믹기판(13)보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크를 도포하여 금속잉크층(15)을 형성하는 금속잉크 도포단계(S10)와, 금속잉크층(15)을 500℃에서 1100℃의 온도로 소결하여 금속잉크층(15)에 혼합된 제1금속분말을 세라믹기판(13)에 결합시켜 세라믹기판(13) 상면에 제1금속층(15a)을 형성하는 금속잉크층 소결단계(S20) 및 제1금속층(15a) 상부에 세라믹기판(13)보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제2금속을 결합시켜 제1금속층(15a) 상부에 제2금속층(17)을 형성하는 제2금속층 형성단계(S30)로 구성된다.
금속잉크층 소결단계(S20)는 금속잉크층(15)을 210℃에서 280℃의 온도로 3분 내지 5분 동안 예열시키는 예열단계(S21)와, 예열단계(S21) 후 10분 내지 18분 동안 분당 30℃에서 45℃의 온도상승률로 온도를 상승시키는 온도상승단계(S23)와, 6분 내지 15분 동안 온도상승단계(S23)에서 상승된 온도를 유지하는 안정단계(S25)와, 안정단계(S25) 후 금속잉크층(15)을 실온으로 냉각시키는 냉각단계(S27)로 구성된다.
금속잉크 도포단계(S10)는 실크 스크린 인쇄에 의하여 세라믹기판(13)에 상면에 금속잉크를 인쇄하며, 제2금속층 형성단계(S30)는 제1금속층(15a) 상부에 제2금속을 도금하여 제2금속층(17)을 형성한다.
상기의 구성에 따른 본 발명인 방열판 및 그 제조방법의 동작은 다음과 같 다.
도 2 및 도 3a에 도시된 바와 같이 금속잉크 도포단계(S10)는 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 알루미나기판 등과 같은 세라믹기판(13) 상면에 세라믹기판(13)보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 니켈, 주석, 크롬 또는 은 들 중 하나의 금속으로 형성된 제1금속분말이 혼합된 금속잉크를 도포하여 금속잉크층(15)을 형성한다. 세라믹기판(13) 중 알루미나기판은 열전도율이 니켈, 주석, 크롬 또는 은들 보다는 낮지만 후공정에서 형성된 제2금속층(17)인 구리도금층과 제1금속층(15a)을 통해 전자부품(19)에서 동작 중 발생된 열을 외부로 용이하게 방출시킬 수 있으며, 후공정인 제1금속분말의 금속잉크층 소결단계(S20)에서 제1금속층(15a)과의 결합력이 좋다. 또한, 금속잉크 도포단계(S10)는 니켈, 주석, 크롬 또는 은 들 중 하나의 금속으로 형성된 제1금속분말과 에폭시 잉크와 경화제가 혼합된 금속잉크를 실크 스크린 인쇄 방법에 의해 세라믹기판(13) 상면에 금속잉크층(15)을 형성하는 것이 바람직하나, 스프레이를 사용하여 금속잉크층(15)을 형성할 수도 있다.
제1금속분말로 사용되는 니켈, 주석, 크롬 또는 은 들은 후공정에서 형성되는 구리로 형성된 제2금속층(17)과의 결합력이 좋고, 구리와 열전도율이 비슷하여 전기부품(19)에서 발생된 열을 외부로 빨리 방출시킬 수 있다.
금속잉크층 소결단계(S20)는 예열단계(S21)와, 온도상승단계(S23)와, 안정단계(S25)와 냉각단계(S27)의 소결과정을 거쳐 금속잉크층(15)에 혼합된 제1금속분말 을 녹이고, 제1금속분말과 세라믹기판(13)과의 화학적 반응에 세라믹기판(13) 상면에 결합되는 제1금속층(15a)을 형성한다.
도 4에 도시된 바와 같이 예열단계(S21)(I1)는 금속잉크층(15)을 210℃에서 280℃의 온도로 3분 내지 5분 동안 예열시키며, 온도상승단계(S23)(I2)는 예열단계(S21) 후 10분 내지 18분 동안 분당 30℃에서 45℃의 온도상승률로 온도를 상승시키고, 안정단계(S25)(I3)는 6분 내지 15분 동안 온도상승단계(S23)에서 상승된 온도를 계속 유지시키고, 냉각단계(S27)(I4)는 금속잉크층(15)을 실온으로 냉각시킨다.
아래의 표 1과 표 2는 각각 예열단계(S21)와 안정단계(S25) 시 온도에 따른 제1금속층(15a)과 제2금속층(17)의 실험데이터이다.
금속 예열단계 온도(℃)
니켈 200℃이하 210℃∼290℃ 290℃이상
크롬 205℃이하 210℃∼280℃ 280℃이상
주석 210℃이하 210℃∼300℃ 300℃이상
은 200℃이하 210℃∼280℃ 280℃이상
시험결과 제1금속층 크랙발생 제2금속층 도금표면 얼룩발생 제1금속층 표면양호 제2금속층 도금 양호 제1금속층 크랙발생 제2금속층 도금 뭉침현상발생
금속 안정단계 온도(℃)
니켈 490℃이하 500℃∼1150℃ 1200℃이상
크롬 450℃이하 460℃∼1110℃ 1150℃이상
주석 455℃이하 470℃∼1150℃ 1150℃이상
은 420℃이하 430℃∼1150℃ 1150℃이상
시험결과 제1금속층 크랙 및 표면 얼룩발생 제2금속층 도금표면 얼룩발생 제1금속층 표면양호 제2금속층 도금 양호 제1금속층과 세라믹기판과 접착력 불량 제2금속층 크랙발생
상기 표 1에서 나타난 바와 같이 예열단계(S21) 시 210℃에서 280℃의 범위를 벗어날 경우 제1금속층(15a)은 크랙이 발생되어 제1금속층(15a)과 세라믹기판(13)과의 접착력이 떨어지고, 후공정인 제1금속층(15a) 상부에 전기도금에 의해 제2금속층(17) 형성시 제2금속층(17)의 도금 표면에 얼룩이 발생되거나 크랙이 발생되어 제2금속층(17)도 불량이 발생되는 것을 알 수 있다.
금속 온도상승단계에서의 분당 상승온도(℃/분)
니켈 29 이하 30∼45 46 이상
크롬 제1금속층 표면 기포발생 및 크랙 제1금속층과 세라믹기판과의 접착력 불량 양호 제1금속층과 세라믹기판과의 접착력 급격히 저하됨
주석
은
금속 안정단계에서의 유지시간
1분∼5분 6분∼15분 16분 이상
니켈 제1금속층의 표면에 기포발생 및 크랙발생, 제1금속층과 세라믹기판과의 접착력 불량 양호 제1금속층의 표면이 거칠어지고, 제1금속층과 세라믹기판과의 접착력 불량
크롬
주석
은
표 3은 온도상승단계(S23)에서의 분당 온도상승률에 대한 실험데이터이고, 표 4는 안정단계(S25)에서의 유지시간에 대한 실험데이터이다.
표 3에 나타난 바와 같이 온도상승단계(S23)에서의 분당 온도상승률은 30℃/분에서 45℃/분으로 온도를 상승시켜야 하며, 그렇지 못할 경우 제1금속층(15a)의 표면 불량 및 제1금속층(15a)과 세라믹기판(13)과의 접착력이 떨어짐을 알 수 있으며, 표 4에 나타난 바와 같이 안정단계(S25)는 6분 내지 15분 동안 온도상승단계(S23)에서 상승된 온도를 계속 유지시켜야 한다.
냉각단계(S27)는 금속잉크층(15)을 실온으로 냉각시키면 되고, 냉각단계(S27)의 유지시간은 제1금속층(15a)의 형성시 제1금속층(15a)과 세라믹기판(13)과의 접착력이나 제1금속층(15a)의 표면 불량에 관계가 없다.
따라서 상기와 같이 금속잉크층 소결단계(S20)는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크를 소결시키는 과정에서 잉크의 액상 성분은 증발되고, 제1금속분말을 녹이면서 제1금속분말과 알루미나기판인 세라믹기판(13)과의 화학적 반응을 거쳐서 세라믹기판(13) 상면과 결합되는 제1금속층(15a)이 형성된다.
제2금속층 형성단계(S30)는 제1금속층(15a)과 열전도율이 비슷한 구리 금속을 전기분해에 의한 도금 또는 화학도금에 의해 제1금속층(15a) 상부에 제2금속층(17)을 형성시킨다.
따라서 종래의 경우 세라믹기판에 구리재질의 금속박막을 결합시키기 위해 접착제를 사용하였으나, 본 발명의 방열판(10)은 접착제를 전혀 사용하지 않고, 세라믹기판(13) 상면에 소결과정에 의해 제1금속층(15a)을 결합시키고, 제1금속층(15a) 상부에는 구리재질의 제2금속층(17)을 도금함으로써 본 발명의 방열판은 장기간 사용하더라도 제2금속층(17) 상부의 전자제품(19)에서 발생된 열에 의해 변형이 발생되지 않고, 열전달율이 높은 제1금속층(15a)과 제2금속층(17)에 의해 전자제품(19)에서 발생된 열을 외부로 전달시키는 열전달율도 우수하다.
본 발명의 방열판 및 그 제조방법은 세라믹기판에 열전도율이 높은 금속을 함유하는 잉크를 도포, 소결한 후 열전도율이 높은 금속을 도금하여 방열판을 제작함으로써 방열판 제작시 방열판의 불량률을 감소시키고, 장기간 사용하더라도 열에 의해 변형이 발생되지 않으며, 전자부품에서 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열 효과가 우수하다.

Claims (8)

  1. 전자부품의 동작시 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열판에 있어서,
    세라믹기판 상면에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크가 도포된 금속잉크층;
    상기 금속잉크층을 500℃에서 1100℃의 온도로 소결하여 상기 금속잉크층에 혼합된 제1금속분말을 상기 세라믹기판에 결합시켜 형성된 제1금속층; 및
    상기 제1금속층 상부에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제2금속이 결합된 제2금속층을 구비한 것을 특징으로 하는 방열판.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹기판은 산화알루미늄으로 이루어진 알루미나기판이고, 상기 제1금속분말은 니켈, 주석, 크롬 또는 은 들 중 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 방열판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2금속은 구리이고, 상기 제1금속층 상부에 도금에 의해 상기 제2금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방열판.
  4. 전자부품의 동작시 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열판 제조방법에 있어서,
    세라믹기판 상면에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제1금속분말이 혼합된 금속잉크를 도포하여 금속잉크층을 형성하는 금속잉크 도포단계;
    상기 금속잉크층을 500℃에서 1100℃의 온도로 소결하여 상기 금속잉크층에 혼합된 제1금속분말을 상기 세라믹기판에 결합시켜 상기 세라믹기판 상면에 제1금속층을 형성하는 금속잉크층 소결단계; 및
    상기 제1금속층 상부에 상기 세라믹기판보다 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 제2금속을 결합시켜 상기 제1금속층 상부에 제2금속층을 형성하는 제2금속층 형성단계를 구비한 것을 특징으로 하는 방열판 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속잉크 도포단계는 실크 스크린 인쇄에 의하여 상기 세라믹기판에 상면에 상기 금속잉크를 인쇄하는 것을 특징으로 하는 방열판 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제2금속층 형성단계는 상기 제1금속층 상부에 제2금속을 도금시키는 것을 특징으로 하는 방열판 제조방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속잉크층 소결단계는
    상기 금속잉크층을 210℃에서 280℃의 온도로 3분 내지 5분 동안 예열시키는 예열단계;
    상기 예열단계 후 10분 내지 18분 동안 분당 30℃에서 45℃의 온도상승률로 온도를 상승시키는 온도상승단계;
    6분 내지 15분 동안 상기 온도상승단계에서 상승된 온도를 유지하는 안정단계; 및
    상기 안정단계 후 상기 금속잉크층을 실온으로 냉각시키는 냉각단계를 구비한 것을 특징으로 하는 방열판 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 세라믹기판은 산화알루미늄으로 이루어진 알루미나기판이고, 상기 제1금속분말은 니켈, 주석, 크롬 또는 은 들 중 하나의 금속이고, 상기 제2금속은 구리인 것을 특징으로 하는 방열판 제조방법.
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